課程設(shè)計(jì)論文基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)引言隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)能夠獨(dú)立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件。熱敏電阻的成本低，但需后續(xù)信號(hào)處理電路，而且可靠性相對(duì)較差，測溫準(zhǔn)確度低，檢測系統(tǒng)也有一定的誤差。與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，這里設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫精確，數(shù)字顯示，適用范圍寬等特點(diǎn)。選用at89c51型單片機(jī)作為主控制器件，dsl8b20作為測溫傳感器通過4位共陽極led數(shù)碼管串口傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫度顯示。通過dsl8b20直接讀取被測溫度值，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該器件的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，線性度較好，在0100最大線

2、性偏差小于0.1。該器件可直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)處理及控制。另外，該溫度計(jì)還能直接采用測溫器件測量溫度，從而簡化數(shù)據(jù)傳輸與處理過程。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案根據(jù)系統(tǒng)功能要求，構(gòu)造圖1所示的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖。圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖2.1 單片機(jī)的選擇at89c51作為溫度測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心器件。該器件是intel公司生產(chǎn)的mcs一5l系列單片機(jī)中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，采用了可靠的cmos工藝制造技術(shù)，具有高性能的8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的mcs51的cmos產(chǎn)品。不僅結(jié)合了hmos的高速和高密度技術(shù)及chmos的低功耗特征，而且繼承和擴(kuò)展了mcs48單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。單片機(jī)小系統(tǒng)的電路圖如

3、圖2所示。圖2 單片機(jī)小系統(tǒng)電路at89c51單片機(jī)的主要特性：(1)與mcs-51 兼容，4k字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器；(2)靈活的在線系統(tǒng)編程，掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性；(3)壽命為1000次寫/擦周期，數(shù)據(jù)保留時(shí)間可10年以上；(4)全靜態(tài)工作模式：0hz-33hz；(5)三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；(6)128*8位內(nèi)部ram，32可編程i/o線；(7)兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷源；(8)全雙工串行uart通道，低功耗的閑置和掉電模式；(9)看門狗（wdt）及雙數(shù)據(jù)指針；(9)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；2.2 溫度傳感器介紹ds18b20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為±0.5&#

4、176;c。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在eprom中，掉電后依然保存。溫度傳感器ds18b20引腳如圖3所示。 8引腳封裝 to92封裝圖3 溫度傳感器引腳功能說明： nc ：空引腳，懸空不使用； vdd ：可選電源腳，電源電壓范圍35.5v。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。 dq ：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳。漏極開路，常態(tài)下高電平。 gnd ：為電源地ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻rom、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器th和tl、配置寄存器。光刻rom中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該ds18b20的地址序

5、列碼。64位光刻rom的排列是：開始8位（28h）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該ds18b20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（crc=x8+x5+x4+1）。光刻rom的作用是使每一個(gè)ds18b20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)ds18b20的目的。 ds18b20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/lsb形式表達(dá)，其中s為符號(hào)位。 這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18b20的兩個(gè)8比特的ram中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘

6、于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。 例如+125的數(shù)字輸出為07d0h，+25.0625的數(shù)字輸出為0191h，-25.0625的數(shù)字輸出為ff6fh，-55的數(shù)字輸出為fc90h。 ds18b20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存ram和一個(gè)非易失性的可電擦除的e2ram,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器th、tl和結(jié)構(gòu)寄存器。 暫存存儲(chǔ)器包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是th、tl的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器

7、的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。 該字節(jié)各位的意義如下：tm r1 r0 1 1 1 1 1低五位一直都是1 ，tm是測試模式位，用于設(shè)置ds18b20在工作模式還是在測試模式。在ds18b20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)。r1和r0用來設(shè)置分辨率，如表1所示：（ds18b20出廠時(shí)被設(shè)置為12位） 表1 ds18b20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表r1r0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時(shí)間00993.750110187.510113751112750根據(jù)ds18b20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步

8、驟：每一次讀寫之前都要對(duì)ds18b20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條rom指令，最后發(fā)送ram指令，這樣才能對(duì)ds18b20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主cpu將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，ds18b20收到信號(hào)后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主cpu收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。2.3 溫度傳感器與單片機(jī)的連接溫度傳感器的單總線(1-wire)與單片機(jī)的p20連接，p20是單片機(jī)的高位地址線a8。p2端口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向io，其輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)ttl邏輯門電路。對(duì)該端口寫“1”，可通過內(nèi)部上拉電阻將其端口拉至高電平，此時(shí)可作為輸入口使用，

9、這是因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某一引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)。如執(zhí)行movx dptr指令，則表示p2端口送出高8位的地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，可執(zhí)行movx ri指令，p2端口內(nèi)容即為特殊功能寄存器(sfr)區(qū)中r2寄存器內(nèi)容，整個(gè)訪問期間不改變。在flash編程和程序校驗(yàn)時(shí)，p2端口也接收高位地址和其他控制信號(hào)。圖4為dsl8820內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖5為dsl8820與單片機(jī)的接口電路。圖4 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖5 ds18b20和單片機(jī)的接口連接2.4 復(fù)位信號(hào)及外部復(fù)位電路單片機(jī)的p1.6端口是max813看門

10、狗電路中喂狗信號(hào)的輸入端，即單片機(jī)每執(zhí)行一次程序就設(shè)置一次喂狗信號(hào)，清零看門狗器件。若程序出現(xiàn)異常，單片機(jī)引腳rst將出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，使其復(fù)位。該復(fù)位信號(hào)高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期即兩個(gè)機(jī)器周期以上。若使用頻率為12 mhz的晶體振蕩器，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過2s才完成復(fù)位操作。2.5 單片機(jī)與報(bào)警電路系統(tǒng)中的報(bào)警電路是由發(fā)光二極管和限流電阻組成，并與單片機(jī)的p1.2端口連接。p1端口的作用和接法與p2端口相同，不同的是在flash編程和程序校驗(yàn)期間，p1接收低8位地址數(shù)據(jù)。2.6 電源電路由于該系統(tǒng)需要穩(wěn)定的5 v電源，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須采用能滿足電壓、電流和

11、穩(wěn)定性要求的電源。該電源采用三端集成穩(wěn)壓器lm7805。它僅有輸入端、輸出端及公共端3個(gè)引腳，其內(nèi)部設(shè)有過流保護(hù)、過熱保護(hù)及調(diào)整管安全保護(hù)電路由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作為穩(wěn)壓電源。圖6為電源電路連接圖。圖6 電源電路連接圖2.7 顯示電路采用技術(shù)成熟的74hcl64實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。led顯示分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。這里采用靜態(tài)顯示，系統(tǒng)通過單片機(jī)的串行口來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)顯示。串行口為方式零狀態(tài)，即工作在移位寄存器方式，波特率為振蕩頻率的1/12。當(dāng)器件執(zhí)行任何一條將sbuf作為目的寄存器的命令時(shí)，數(shù)據(jù)便開始從rxd端發(fā)送。在寫信號(hào)有效時(shí)，相隔一個(gè)機(jī)器周期后發(fā)送控制端send有效，即允

12、許rxd發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)允許從txd端輸出移位脈沖。圖7為顯示電路的連接圖。圖7 顯示電路的連接圖2.8 看門狗電路系統(tǒng)中把p1.6作為看門狗的“喂狗”信號(hào)；將max813的reset與單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)rst連接。由于單片機(jī)每執(zhí)行一次程序，就會(huì)給看門狗器件一個(gè)復(fù)位信號(hào)，這樣也可以用手工方式實(shí)現(xiàn)復(fù)位。當(dāng)按鍵按下時(shí)，swspst就會(huì)在max813引腳產(chǎn)生一個(gè)超過200 ms的低電平，其實(shí)看門狗器件在1.6 s時(shí)間內(nèi)沒有復(fù)位，使7引腳輸出一個(gè)復(fù)位信號(hào)的作用是相同的，其連接圖如圖8所示。圖8 看門狗器件的max813的連接圖3 軟件設(shè)計(jì)dsl8820的主要數(shù)據(jù)元件有：64位激光lasered rom，溫

13、度靈敏元件和非易失性溫度告警觸發(fā)器th和tl。dsbl820可以從單總線獲取電源，當(dāng)信號(hào)線為高電平時(shí)，將能量貯存在內(nèi)部電容器中；當(dāng)單信號(hào)線為低電平時(shí)，將該電源斷開，直到信號(hào)線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳?電容)電源為止。此外，還可外接5 v電源，給dsl8820供電。dsl8820的供電方式靈活，利用外接電源還可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。圖9為讀取數(shù)據(jù)流程圖。開始ds18b20的初始化啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度寄存器跳過讀序列號(hào)的操作跳過讀序列號(hào)的操作ds18b20的初始化retlow-低八位 high-高八位圖9 讀取數(shù)據(jù)的流程圖讀出溫度數(shù)據(jù)后，low的低四位為溫度的小數(shù)部分，可以精確到0.0625，l

14、ow的高四位和high的低四位為溫度的整數(shù)部分，high的高四位全部為1表示負(fù)數(shù)，全為0表示正數(shù)。所以先將數(shù)據(jù)提取出來，分為三個(gè)部分：小數(shù)部分、整數(shù)部分和符號(hào)部分。小數(shù)部分進(jìn)行四舍五入處理：大于0.5的話，向個(gè)位進(jìn)1；小于0.5的時(shí)候，舍去不要。當(dāng)數(shù)據(jù)是個(gè)負(fù)數(shù)的時(shí)候，顯示之前要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將其整數(shù)部分取反加一。還因?yàn)閐s18b20最低溫度只能為-55，所以可以將整數(shù)部分的最高位換成一個(gè)“-”，表示為負(fù)數(shù)。圖10為溫度數(shù)據(jù)處理程序的流程圖。開始提取整數(shù)部分存入ht提取小數(shù)部分存入ltlt右移三位,將精度降低到0.5攝氏度ht+將小數(shù)部分整數(shù)化提取符號(hào)部分存入signlt是否大于5sign=?0

15、xf0ret負(fù)數(shù)表示flag=1 ht=ht+1ynny圖10 溫度數(shù)據(jù)處理流程圖4 數(shù)據(jù)測試將溫度傳感器與冰水混合物接觸，經(jīng)過充分?jǐn)嚢柽_(dá)到熱平衡后調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使顯示讀數(shù)為0.00(標(biāo)定0)；利用氣壓計(jì)讀出當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)，并根據(jù)大氣壓強(qiáng)和當(dāng)?shù)刂亓铀俣扔?jì)算出當(dāng)時(shí)的實(shí)際壓強(qiáng)；根據(jù)沸點(diǎn)與壓強(qiáng)的關(guān)系查出沸點(diǎn)溫度。把溫度傳感器放入沸水中，待顯示讀數(shù)穩(wěn)定后重新調(diào)節(jié)，使顯示器顯示讀數(shù)等于當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)沸點(diǎn)溫度后工作結(jié)束。該溫度計(jì)的量程為-50150，讀數(shù)精度為0.1，實(shí)際使用一般在0100。采用050和50100的精密水銀溫度計(jì)作檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)的溫度計(jì)進(jìn)行測試，其結(jié)果表明能達(dá)到該精度要求。5 總結(jié)與體會(huì)作為

16、一名電子信息工程的大四學(xué)生，我覺得做單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是很有意義的，而且也是必要的。在做這次課程設(shè)計(jì)的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)資料了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，查閱這方面的實(shí)際資料是十分必要的，也是必不可少的。其次，在這次課程設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用了以前學(xué)過的專業(yè)課知識(shí)，如：proteus仿真、匯編語言、模擬和數(shù)字電路知識(shí)等。雖然過去我從未獨(dú)立應(yīng)用過他們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計(jì)的又一收獲。最后，要做好一個(gè)課程設(shè)計(jì)，就必須做到：在設(shè)計(jì)程序之前，對(duì)所用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)系統(tǒng)的了解，知道該單片機(jī)有哪些資源；要有一個(gè)清晰的思路和一個(gè)完整的軟件流程圖；在

17、設(shè)計(jì)程序時(shí)，不能妄想一次將整個(gè)程序設(shè)計(jì)好，反復(fù)修改、不斷改進(jìn)是程序設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，這樣為資料的保留和交流提供了方便；在設(shè)計(jì)中遇到的問題要記錄，以免下次遇到同樣的問題。在這次的課程設(shè)計(jì)中，我真正的意識(shí)到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實(shí)際，把我們所學(xué)的理論知識(shí)用到實(shí)際當(dāng)中，學(xué)習(xí)單片機(jī)更是如此，程序只有在經(jīng)常寫與讀的過程中才能提高，這就是這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲。附錄1 仿真圖附錄2 程序源代碼data_busbitp3.3flagbit00h;標(biāo)志位temp_lequ 30h;溫度值低字節(jié)temp_hequ31h;溫度值高字節(jié)temp_dpequ32h;溫度小數(shù)temp_int

18、equ33h;溫度值整數(shù)temp_baiequ34h;溫度百位數(shù)temp_shiequ35h;溫度十位數(shù)temp_geequ36h;溫度個(gè)位數(shù)dis_baiequ37h;顯示百位數(shù)dis_shiequ38h;顯示十位數(shù)dis_geequ39h;顯示個(gè)位數(shù)dis_dpequ3ah;顯示小數(shù)位dis_addequ3bh;顯示地址org 0000h ajmpstartorg 0050h;初始化start:movsp,#40hmain:lcallread_temp;調(diào)讀溫度程序lcallprocess;調(diào)數(shù)據(jù)處理程序ajmpmain;讀溫度程序read_temp: lcallreset_pulse ;

19、調(diào)用復(fù)位脈沖程序mov a,#0cch;跳過rom命令lcall writemova,#44h;讀溫度lcall writelcalldisplay;顯示溫度lcallreset_pulse;調(diào)用復(fù)位脈沖程序mova,#0cch;跳過rom命令lcallwritemova,#0beh;讀緩存命令lcall writelcallreadret;復(fù)位脈沖程序reset_pulse:reset:setbdata_busnopnopclrdata_busmovr7,#255djnzr7,$setb data_busmovr7,#30djnzr7,$jnb data_bus,setb_flagclrfl

20、agajmpnextsetb_flag:setb flagnext:mov r7,#120djnzr7,$setb data_busjnbflag,reset ret;寫命令write:setbdata_busmovr6,#8clrcwriting:clrdata_busmovr7,#5djnzr7,$rrcamovdata_bus, cmovr7,#30hdjnzr7,$setbdata_busnopdjnzr6,writingret;循環(huán)顯示段位display:mov r4,#200dis_loop:mova,dis_dpmovp2,#0ffhmovp0,a clrp2.7lcalldel

21、ay2msmova,dis_gemovp2,#0ffhmovp0,asetbp0.7 clrp2.6lcalldelay2msmova,dis_shimovp2,#0ffhmovp0,aclrp2.5 lcalldelay2msmova,dis_baimovp2,#0ffhmovp0,amova,temp_baicjnea,#0,skipajmpnexttskip:clrp2.4lcalldelay2msnextt:nopdjnzr4,dis_loopret;讀命令read:setbdata_busmovr0,#temp_lmov r6,#8movr5,#2clrcreading:clrdata_busnopnopsetbdata_busnopnopnopnopmovc,data_busrrcamovr7,#30hdjnzr7,$setbdata_busdjnzr6,readingmovr0,ainc r0mo